摘　要：對(duì)在建上海中心工程項(xiàng)目周邊的天然氣埋地管道進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測(cè)期間，最大的正變形量為10mm，最大的負(fù)變形量-8mm；對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值擬合和誤差分析。

關(guān)鍵詞：埋地管道　沉降監(jiān)測(cè)　數(shù)值擬合　誤差分析

Experiment on Settlement Monitoring of Buried Natural Gas Pipeline near Construction Progress

Abstract：The buried natural gas pipelines near the Shanghai tower which was under construction were monitored and it found that the max positive distortion was 10mm；the max negative distortion was -8mm．The numerical fitting and error analysis were conducting for the monitoring result．

Keywords：buried pipeline  settlement monitoring  numerical fitting  error analysis

城市天然氣管網(wǎng)作為城市天然氣輸送的重要通道，是城市能源基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。在城市建設(shè)快速發(fā)展的今天，影響埋地天然氣管道的不安全因素日益增多，因城市建設(shè)引起的地面沉降現(xiàn)象對(duì)天然氣管道破壞事故屢見(jiàn)不鮮，地面沉降會(huì)對(duì)地下管道產(chǎn)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致埋地天然氣管道泄漏，威脅生命財(cái)產(chǎn)安全^[1-2]。

地面沉降的成因主要有溶巖塌陷、地下資源開(kāi)采和工程環(huán)境效應(yīng)^[3]。隨著城市的發(fā)展，高層建筑已成為城市地面沉降的主要誘因。國(guó)內(nèi)以上海軟土地基為典型的土質(zhì)地區(qū)沉降最為明顯，特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)，上海城市建設(shè)迅猛發(fā)展，在截止2001年的過(guò)去12年中，中心城區(qū)平均累計(jì)沉降196.7mm，年均沉降16.4mm^[4]，2008年全市平均地面沉降量為6.4mm，中心城區(qū)平均地面沉降則為7.6mm，最大沉降超過(guò)10mm的地區(qū)也多有發(fā)生^[5]。敷設(shè)在軟體地基中的管道因沉降會(huì)產(chǎn)生各種變形，均勻沉降對(duì)管道影響不大，當(dāng)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，管道就有可能發(fā)生變形甚至破壞。高層建筑引起的地面沉降必定會(huì)對(duì)周?chē)細(xì)夤艿喇a(chǎn)生影響，使管道受到附加的壓力和水平推力，產(chǎn)生形變和位移，導(dǎo)致管道變形、接口錯(cuò)位甚至腐蝕開(kāi)裂，造成燃?xì)庑孤?。研究高層建筑?dǎo)致的地面沉降對(duì)埋地天然氣管道的影響，進(jìn)而建立相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制和預(yù)防措施具有十分重要的意義。

1　沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為掌握埋地燃?xì)夤艿赖某两敌畔ⅲY(jié)合燃?xì)夤艿朗┕?，在管道頂部安裝了沉降標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)沉降標(biāo)由圓形抱箍、不銹鋼監(jiān)測(cè)柱、保護(hù)套管及井蓋構(gòu)成，圓形抱箍圍住管道并用螺絲同定，不銹鋼監(jiān)測(cè)柱焊接在抱箍正上方并伸出至接近地面，監(jiān)測(cè)柱外側(cè)設(shè)置保護(hù)套管，套管頂部設(shè)有保護(hù)井蓋。沉降標(biāo)具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，通過(guò)對(duì)不銹鋼柱沉降的測(cè)量反映管道的沉降。

管道沉降通過(guò)水準(zhǔn)儀人工測(cè)讀，觀測(cè)周期為15天～30天，沉降觀測(cè)前均應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)檢校，堅(jiān)持定人定儀器的要求，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

監(jiān)測(cè)管段位于上海中心大廈與另一座正在施工的建筑之間，屬于地面沉降危險(xiǎn)地段，為防止天然氣管道在建筑施工期間發(fā)生破壞，決定進(jìn)行天然氣管道的更換，9根試驗(yàn)管段也作為更新管道的一部分接入整個(gè)管線，監(jiān)測(cè)管道以及周同主要建筑物的相對(duì)位置如圖2所示。

沉降標(biāo)在管道施工的同時(shí)進(jìn)行安裝，有專業(yè)的安裝施工隊(duì)進(jìn)行，保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。沉降標(biāo)的安裝見(jiàn)圖3所示。

整個(gè)管道全長(zhǎng)132.1m，共設(shè)11個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按照均勻布置原則，并考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的間隔為15m左右。如圖4所示。

整個(gè)測(cè)試管道沉降測(cè)量點(diǎn)的編號(hào)與水平方向的長(zhǎng)度見(jiàn)表1所示。

2　沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝完畢后即開(kāi)始運(yùn)行，截至目前的300天時(shí)間內(nèi)，沉降數(shù)據(jù)的采集頻率由人工操作，大約為20天1次，各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5。

由圖5可知，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)大致相同，相對(duì)變形均由0開(kāi)始，截止到監(jiān)測(cè)結(jié)束點(diǎn)，各點(diǎn)的變化量均不同，最大的正變形量為10mm，最大的負(fù)變形量-8mm，可看出管道出現(xiàn)一定的不均勻沉降。

另外，從各點(diǎn)整體的變化趨勢(shì)可以看出，隨著時(shí)間的增加，各點(diǎn)沉降量先變小再增大，而后又呈緩慢減小趨勢(shì)。這與監(jiān)測(cè)管道兩側(cè)的建筑施工進(jìn)度有關(guān)：在施工過(guò)程中，對(duì)地下水的抽取導(dǎo)致的地面沉降明顯，而后進(jìn)行地下水的回灌，地面沉降反彈，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)體現(xiàn)為由開(kāi)始變形時(shí)的負(fù)增長(zhǎng)慢慢向反方向變化，隨著工程的繼續(xù)，建筑荷載不斷增加，由此導(dǎo)致的地面沉降效應(yīng)逐漸明顯，體現(xiàn)為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值不斷緩慢減小。

3　樣條插值及誤差分析

常用的插值方法包括多項(xiàng)式插值和樣條插值，由于多項(xiàng)式插值點(diǎn)過(guò)多導(dǎo)致的龍格現(xiàn)象，這時(shí)的插值函數(shù)兩端會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重不符合真實(shí)值的錯(cuò)誤結(jié)果^[6]，所以本論文利用三次樣條插值方法進(jìn)行擬合。

通過(guò)Matlab軟件，可容易地對(duì)沉降值進(jìn)行三次樣條擬合，以第2個(gè)月內(nèi)的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，進(jìn)行曲線插值擬合，結(jié)果曲線如圖6。

3　樣條插值及誤差分析

由圖6可知，受工程建設(shè)的影響，整個(gè)管道在各時(shí)間點(diǎn)均有明顯的變形，其變形的大小與管線周?chē)こ探ㄔO(shè)相關(guān)，由于土體的間接影響，受力情況復(fù)雜，沒(méi)有呈現(xiàn)出具體的規(guī)律性。

本實(shí)驗(yàn)的沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要誤差具體體現(xiàn)在儀器誤差和觀測(cè)誤差。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，一般通過(guò)水準(zhǔn)儀測(cè)量結(jié)果的綜合誤差為2mm^[7]。而現(xiàn)階段的沉降量基本在10mm～20mm，2mm的誤差已經(jīng)占了很大一部分，因此有必要分析數(shù)據(jù)存在一定的誤差的情況下對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，從而判斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠度。

在小范圍變形的情況下，如果測(cè)量過(guò)程中使用精度不高的儀器或者設(shè)備，必然會(huì)導(dǎo)致重大的偏差。但同時(shí)也必須考慮本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是埋地鋼管，其允許應(yīng)力為235MPa，這一數(shù)量級(jí)的應(yīng)力必須在管道發(fā)生大范圍變形時(shí)才可以達(dá)到，因此，只要在管道發(fā)生大變形時(shí)其相對(duì)誤差較小，則實(shí)驗(yàn)方法依然有效。

在本次試驗(yàn)中，由于監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)管道沒(méi)有發(fā)生大的實(shí)際變形，所以小的變形量就導(dǎo)致了比較大的相對(duì)誤差。為了考察大變形下誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，不妨把管道的沉降測(cè)量值增大10倍。以第2個(gè)月的監(jiān)測(cè)值作為算例，利崩Matlab進(jìn)行30次的隨機(jī)數(shù)生成，其沉降變形擬合曲線的偏差范圍如圖7。

根據(jù)圖7可以看出，如果沉降值擴(kuò)大至原來(lái)的10倍，沉降變形量的擬合曲線相對(duì)固定，圖中反映出沉降擬合的曲線偏差保持不變，這樣相對(duì)誤差就減小了，從而保證了數(shù)據(jù)的可靠性。但是需要說(shuō)明的是：對(duì)數(shù)值的擴(kuò)大只是為了說(shuō)明誤差對(duì)結(jié)果的影響程度，實(shí)際上數(shù)據(jù)被放大的同時(shí)誤差隨之被放大，所以所得沉降的變化趨勢(shì)依然沒(méi)有變。

4　結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)從研究管道本身的沉降入手，以上海中心周邊天然氣管道為研究對(duì)象，建立了埋地天然氣管道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：

(1)從沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：建設(shè)中期地下水的回灌和建設(shè)后期建筑負(fù)荷的增加均能使管道發(fā)生變形，由于監(jiān)測(cè)開(kāi)始于建設(shè)后期，由建筑負(fù)荷引起的沉降逐漸凸顯，在監(jiān)測(cè)時(shí)間段，最大的正變形量為10mm，最大的負(fù)變形量-8mm；

(2)沉降擬合的變形曲線中，在距離工程建設(shè)點(diǎn)較近的地方管段為凹形，說(shuō)明工程建設(shè)對(duì)距離較近的管道影響比較大；其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工程建設(shè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，由于土體變形的不規(guī)律性，管道變形也無(wú)明顯的規(guī)律性；

(3)在微小變形情況下，誤差對(duì)結(jié)果的影響較大，而隨著沉降值的增加，誤差的影響逐漸減小。在接近管道屈服極限的沉降范圍內(nèi)，2mm的沉降誤差滿足工程測(cè)量的要求，不影響沉降的變化趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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本文作者：肖利濤　秦朝葵　喬業(yè)騰

作者單位：同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院